III. В ы с о к о м о л е к у л я р н ы е в е щ е с т в а

И И Х Р А С Т В О Р Ы

ГЛАВА 10

 

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЕЩЕСТВА

 

Высокомолекулярные вещества (ВМВ) характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Хотя под это определение попадают многие неорганические соединения в кристаллическом состоянии и минералы, (например, NaCI, SiO₂, графит, алмаз и т. д.), обычно термином BMB обозначаются органические соединения. Неорганические ВМВ выделяются в особую группу, и в нашем курсе рассматриваться не будут.

Большинство органических высокомолекулярных соединений - полимеры,молекулы которых (макромолекулы)состоят из большого числа повторяющихся группировок, или мономерных звеньев, соединённых между собой химическими связями.

 

Классификация высокомолекулярных веществ

 

- По происхождению полимеры делят на природные или биополимеры(например, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, каучуки) и синтетические, получаемые полимеризацией или поликонденсацией. Кроме того, есть особая группа полусинтетических («искусственных») ВМВ, получаемых химической обработкой природных (например, нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза).

- По строению макромолекул ВМВ подразделяют на линейные полимеры, макромолекулы которых представляют собой длинную нитевидную цепь (например, целлюлоза, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен), разветвлённые, имеющие цепи с разветвлениями (например, крахмал, гликоген) и пространственные, макромолекулы которых, соединяясь, друг с другом, образуют трёхмерную пространственную структуру. Среди пространственных выделяют сетчатые полимеры (например, полистирол), у которых фрагменты макромолекул, образующие пространственные ячейки, приблизительно равны, и сшитые, в структуре которых макромолекулы соединены друг с другом короткими мостиковыми связями. Такие мостики обычно состоят всего из нескольких атомов, зачастую из двух или трёх, причём эти атомы могут быть и не углеродными, а, например, атомами серы (как в резине) и др.

- По химическому составу различают гомополимеры, содержащие одинаковые мономерные звенья (например, полиэтилен, полипропилен, полиметилметакрилат) и сополимеры, макромолекулы которых получаются при соединении двух или более различных мономеров (например, фенолоформальдегидные смолы, белки, нуклеиновые кислоты). Полимеры, содержащие в главной цепи макромолекулы одинаковые атомы, называются гомоцепными (например, полиэтилен, полипропилен), а содержащие разные атомы - гетероцепными (например, белки, полисахариды, полиамиды, полиэфиры). Среди гомоцепных наиболее распространены карбоцепные полимеры, главная цепь которых содержит только атомы углерода.

Полимеры, макромолекулы которых построены из звеньев одинаковой пространственной конфигурации, или из звеньев различной конфигурации, но чередующихся в цепи с определённой периодичностью, называются стереорегулярными. Полимеры с произвольным чередованием звеньев различной пространственной конфигурации, называются нестереорегулярными или атактическими.

- По взаимному расположению макромолекул выделяют аморфные и кристаллические ВМВ. Большинство полимеров являются аморфными, что определяется хаотическим расположением макромолекул в твёрдом образце. В кристаллических полимерах отдельные макромолекулы или их сегменты могут быть расположены по отношению друг к другу упорядоченно. Такие участки с упорядоченной структурой носят название кристаллитов. Следует отметить, что кристаллиты никогда не занимают всего объёма образца ВМВ. Они более или менее густо вкраплены в общую аморфную массу, и поэтому правильнее говорить не о кристаллических полимерах, а о полимерах с большей или меньшей кристаллитной составляющей.

Возможны и другие подходы к классификации высокомолекулярных веществ, о которых подробнее говорится в курсе органической химии или химии полимеров.

 

Получение, применение и свойства высокомолекулярных

Веществ

 

Природные ВМВ выделяют из растительного или животного сырья соответствующими методами, после чего при необходимости подвергают очистке и фракционированию. Синтетические ВМВ получают с применением двух основных типов реакций – полимеризациии поликонденсации. При поликонденсациив результате отщепления от молекул мономеров концевых групп атомов в качестве побочного продукта образуется какое-либо низкомолекулярное вещество, чаще всего вода. При полимеризации образование мак­ро­молекул идёт за счёт раскрытия кратных (двойных или тройных) связей в мономерах и побочных продуктов не образуется. Более подробно о полимеризации и поликонденсации, а также о методах получения полусинтетических полимеров говорится в курсах органической химии или химии высокомолекулярных веществ.

Полимеры применяются практически в любых отраслях промышленности, в быту, а также в медицине и фармации. Это вызвано такими их свойствами, как механическая прочность в сочетании с лёгкостью, широкий спектр реологических характеристик – от эластичности до твёрдости или пластичности, тепло- и электроизоляционные, оптические и другие свойства, полимеров. Полимеры служат основой пластмасс, химических волокон, резин, используемых для производства конструкционных материалов и упаковочных материалов, мебели, посуды, одежды, обуви, декоративных изделий и т. п. Без них не обходится производство лакокрасочных материалов, герметиков, клеев, а также ионообменных смол. Такие биополимеры, как белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты составляют основу всех живых организмов, а природный («натуральный») каучук незаменим для получения наиболее высококачественных резин.

В медицине и фармации природные и синтетические полимеры используют для изготовления медицинской техники (инструменты, предметы ухода за больными, материалы и изделия для упаковки лекарств), для изготовления функциональных узлов аппаратов (например, аппаратов искусственного кровообращения, мембран диализаторов – «искусственных почек»), а также перевязочного материала (бинтов, ваты, асептических повязок, масок и т. п.). В хирургии ВМВ применяются для замены поражённых или утраченных органов (при протезировании, при косметической хирургии), в качестве шовного материала и клеев для бесшовного соединения рассечённых тканей.

Некоторые полимеры, чаще всего белковой природы, используются в качестве лекарств, стабилизаторов и пролонгаторов лекарственных веществ, кровезаменителей. Большое значение имеют полимеры и в качестве вспомогательных веществ для создания основ паст, мазей, пластырей (полиэтиленоксид, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, производные целлюлозы, циклодекстрин и др.). Используют ВМВ и для изготовления оболочек капсул и покрытий таблеток.

Линейные полимеры обладают специфическими свойствами, в частности, способностью к образованию волокон и мягких плёнок (ацетилцеллюлоза, капрон, нейлон), а также к необратимым (пластическим) или к большим обратимым (эластическим) деформациям (каучук, белки). По мере перехода от линейных полимеров к разветвлённым и пространственным эти свойства становятся менее выраженными. Так, из большинства разветвлённых синтетических полимеров невозможно изготовлять волокна, а полученные из них плёнки, как правило, жёстки и упруги. Хотя в случае сильно искривлённых макромолекул даже сшитые полимеры продолжают оставаться эластичными, например, резина. Но по мере увеличения числа мостиков, соединяющих две соседние макромолекулы, эластичность резин уменьшается и, в конце концов, они переходят в эбониты, не обладающие эластичностью. Пространственные ВМВ, как сшитые с большим числом межмолекулярных мостиков, так и сетчатые, тверды и часто хрупки (например, полистирол, полиметилметакрилат), и из них не удаётся изготовить волокон и тонких плёнок.